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大型转炉脱磷规律与工艺优化研究

杨利彬  
【摘要】:随着对钢中磷元素含量要求日益严格,大型转炉低磷钢冶炼成为洁净钢炼钢流程的关键控制环节之一。复吹转炉冶炼过程具有效率高、渣钢反应趋于平衡等优点,研究大型转炉冶炼过程元素选择性氧化、脱磷热力学规律、成渣特点及LP影响因素规律,制定优化转炉冶炼脱磷工艺,能够大大提高转炉生产低磷洁净钢效率,并对实现低磷洁净钢稳定生产有着重要意义。本文以大型复吹转炉冶炼低磷钢为研究对象,通过大型转炉冶炼过程元素选择性氧化、脱磷热力学规律研究、动力学模拟实验、热力学计算、工艺模型计算、现场试验研究的方法,结合大型转炉常规冶炼脱磷、低硅铁水低成本脱磷及少渣超低磷钢冶炼等实际条件,研究制定了低成本高效脱磷工艺制度。通过工艺优化,取得了良好的效果。主要研究工作如下:(1)转炉冶炼过程中元素选择性氧化与脱磷反应规律研究通过大型转炉工业连续取样试验研究,研究了转炉冶炼过程分阶段脱磷动力学,测定实际转炉冶炼过程表观脱磷速率波动范围为0.00088%/min~ 0.02448%/min。冶炼前期及冶炼后期是脱磷的主要阶段,脱磷速率分别是冶炼过程的16和6.7倍。研究了冶炼过程成渣特点,冶炼前期、后期为成渣的主要阶段,成渣比例分别占总渣量的54.79%和28.88%;冶炼前期及后期成渣速率分别为冶炼中期的7.35和6.11倍。通过元素氧化氧位分析的方法,研究了转炉冶炼过程碳、硅、磷元素选择性氧化规律:元素氧化受氧位控制,氧位低的元素优先氧化。冶炼开始脱硅氧位最低,脱硅反应优先进行;随着脱硅反应的进行,当[Si]≤0.1%时,在合适的炉渣条件下脱磷氧位最低,优先氧化;冶炼前期脱碳氧位高于脱硅和脱磷氧位,脱硅、脱磷优先氧化;冶炼过程,脱碳氧位最低,脱碳反应优先发生;冶炼后期,当[C]≤0.33%时,脱碳进入碳传质控制区,脱碳氧位迅速增加,低于脱磷氧位,脱磷氧位最低,脱磷反应优先发生。通过大型转炉冶炼过程试验及热力学分析得出转炉冶炼过程脱磷规律:脱磷反应发生在钢渣界面(熔池渣钢界面、钢中渣滴界面及渣中钢滴界面);炉渣CaO、 FeO、MgO含量控制反应区内P205活度系数,降低脱磷氧位,促进脱磷反应;反应区域内氧受熔池氧位影响,冶炼过程磷元素与碳、硅竞争与氧反应:冶转炉冶炼过程中只有在吹炼前期和吹炼后期可实现有效脱磷;转炉脱磷决定于熔池热力学(LP)和动力学条件:提高LP有利于降低渣钢间平衡磷含量,提高反应速度。加强熔池搅拌,促进钢渣乳化可提高脱磷反应速度,抑制脱碳;前期脱磷热力学条件好,但反应远离平衡,改善动力学条件是提高脱磷效果的技术关键。后期脱磷反应趋于热力学平衡,改善终渣条件、提高LP是提高脱磷效果的技术关键。研究了冶炼过程渣钢间LP变化:转炉冶炼前期,脱磷具备良好的热力学条件,但受限于反应动力学条件及反应时间不足,使前期渣钢间表观磷分配比(LP)偏离平衡较远;冶炼终点脱磷反应趋近热力学平衡,经数据回归分析得出大型转炉冶炼终点表观LP计算公式:(2)转炉冶炼过程动力学实验研究通过大型转炉冷态模拟实验,研究了熔池混匀时间及钢渣传质系数影响因素及规律。研究得出,底吹搅拌能是影响熔池混匀时间的主要因素;钢渣传质系数与熔池混匀时间呈线性递减关系:ka=(10.4-0.133·τ)·104。钢渣传质系数与搅拌能的线性关系:ka∝-(εB+0.09εT)-0.4。底吹搅拌是促进熔池混匀及钢渣间传质的主要工艺手段。(3)大型转炉高效脱磷工艺研究通过研究得出大型转炉高效低磷钢冶炼工艺制度:冶炼前后期强底吹搅拌制度,二批加料造渣制度;冶炼前期控制要点:炉渣的碱度控制在1.8~2.0;终渣FeO控制15%;温度控制在1400℃以内;冶炼终点表观LP主要影响因素为(T.Fe)、R及温度,且应控制合理范围:(T.Fe)=21%~23%;R3.5;避免高温出钢。工艺优化后,实现了大型转炉高效低磷钢的稳定生产:终渣碱度含量由3.6升高到3.93;T.Fe含量由24.37%降低到22.06%。终点钢水碳氧积达到0.002484。终点磷分配比由87.11提高到109;终点磷含量由0.00922%降低到0.00662%。(4)转炉低成本脱磷工艺研究结合脱磷规律的分析、实验及工艺研究的基础上,提出了转炉脱磷热力学控制工艺通用模型:通过研究得出低成本脱磷工艺:控制铁水硅含量在合理范围内(0.25%-0.35%);开吹加入石灰总量50%、白云石总量50%,并提高前期烧结矿的加入比例提高至约50%。为了防止炉渣返干,渣中应保持FeO在15%,冶炼前期温度控制在1400℃以内。冶炼终点控制:T.Fe含量大于17.66%,R大于3.6,温度控制在1640℃。采用冶炼前后期强底吹搅拌的复吹工艺。通过工艺应用实现了低成本少渣冶炼:石灰加入量减少原有渣量的30%,冶炼过程脱磷率由83.90%提高到90.08%。终点磷含量由0.0161%降低到了0.0133%。直接经济效益30.09元/t钢。(5)大型转炉少渣冶炼超低磷钢工艺研究通过研究脱碳转炉少渣冶炼的工艺发现,半钢磷含量及渣钢间磷分配比是控制脱碳转炉渣量的关键因素,若要实现少渣低磷钢冶炼则要求半钢[P]≤0.03%,LP≥100。通过脱磷渣量控制工艺模型及数据分析制定了超低磷钢冶炼关键工艺:稳定控制半钢[P]0.025%,LP≥110;渣量35~45kg/t;采用渣量52kg/t的冶炼工艺,洗炉2次以上。通过工艺优化,实现了低磷钢和超低磷钢的少渣冶炼,超低磷钢冶炼终点[P]平均达到0.00256%,实现了[P]≤0.004%的超低磷冶炼。


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